Применение пластин из углепластика для усиления деревянного элемента: анализ эффективности на основе численного моделирования в ANSYS

Введение

В современных условиях повышения требований к надежности строительных конструкций актуальной становится проблема усиления деревянных элементов с дефектами. Повреждения древесины могут значительно снижать несущую способность и долговечность элементов. Данная проблема требует разработки эффективных методов их восстановления и усиления. Одним из перспективных направлений является применение композитных материалов. Данный метод неоднократно показывал свою эффективность в области усиления деревянных элементов. В России проводились испытания по усилению с помощью стеклоткани [1]. Также исследовался вопрос влияния количества слоев ленты из углеволокна на увеличение несущей способности [2]. Проводились эксперименты по определению достаточного процента армирования углеволокном [3]. Но вопрос усиления существующих элементов с дефектами полимерными материалами освещен недостаточно в нашей стране. За рубежом проводились исследования по увеличению несущей способности деревянных элементов исторических зданий, которые имели значительные дефекты [4][5]. Отсутствие нормативной базы и недостаточное количество исследований делает данное направление перспективным. В статье рассмотрены деревянные элементы с несколькими видами дефектов, усиленные пластинами из углепластика и эпоксидной смолой. Настоящее исследование направлено на оценку влияния различных вариантов усиления деревянных балок с дефектами на напряженно-деформированное состояние с использованием численного моделирования в ANSYS [6][7].

Методика исследования

Описание расчетной модели

Для исследования выбрана деревянная балка длиной 1200 мм и сечением 100 × 100 мм. Моделирование выполнено для семи вариантов конструкции:

Вариант 1. Контрольная балка без дефектов.

Вариант 2. Балка с дефектом в нижней зоне в середине пролета.

Вариант 3. Балка с дефектом в нижней зоне, заполненным эпоксидной смолой, усиленная пластиной из углепластика на 1/3 длины в центральной части в нижней зоне.

Вариант 4. Балка с дефектом в верхней зоне в середине пролета.

Вариант 5. Балка с дефектом в верхней зоне, заполненным эпоксидной смолой, усиленная пластиной из углепластика на 1/3 длины в центральной части в верхней зоне.

Вариант 6. Балка с дефектами в верхней и нижней зонах в центре пролета.

Вариант 7. Балка с дефектами в обеих зонах, заполненными эпоксидной смолой, усиленная пластинами из углепластика с двух сторон.

Расчетные схемы представлены на рис. 1.

Параметры материалов и граничные условия

Для моделирования принимались усредненные значения на основе существующих данных [8–10], которые в дальнейшем будут уточняться в ходе испытаний.

Древесина:

– Модуль упругости вдоль волокон E_х = 10 ГПа, поперек волокон E_y = 300 МПа, в радиальном направлении E_z = 300 МПа. Коэффициенты Пуассона: ν_xy = 0,3; ν_yz = 0,3; ν_xz = 0,5. Модули сдвига: G_хy = 600 МПа, G_yz = 600 МПа, G_xz = 50 МПа.

– Учтен нелинейный характер деформаций при приближении нагрузки к предельным значениям [11].

Углепластик:

– Модуль упругости E = 230 ГПа.

Эпоксидная смола:

– Модуль упругости E = 3,8 ГПа.

Балка закреплена по схеме «шарнир – шарнир». Нагрузка представлена двумя сосредоточенными силами по 8700 Н, приложенными на расстоянии 400 и 800 мм от левой опоры.

Для учета совместной работы пластины из углеволокна, эпоксидной смолы и древесины выбран тип контактной поверхности – bonded, который позволяет смоделировать работу склеенных между собой элементов.

Программное обеспечение

Численное моделирование выполнено в ANSYS с учетом физической нелинейности древесины.

Результаты моделирования

Для каждого из семи вариантов были определены следующие параметры:

– деформация по оси Y (мм);

– нормальные напряжения (МПа) для сжатия и растяжения;

– пластические деформации (%).

Полученные результаты показывают, что наибольшие деформации наблюдаются в балках с дефектами без усиления, тогда как применение углепластиковых пластин значительно снижает прогиб и перераспределяет напряжения. Вариант 7 (комбинированное усиление обеих зон) продемонстрировал оптимальные показатели по снижению как деформаций, так и напряжений. Рис. 2–8 иллюстрируют расчетные схемы и характер распределения напряженно-деформированного состояния для каждого из вариантов.

В табл. 1 представлены результаты численного моделирования для семи вариантов конструкции балки.

Анализ данных

1. Деформации по оси Y (мм):

– Наибольшие деформации наблюдаются в вариантах № 2 (12,877 мм) и № 4 (13,059 мм), что связано с наличием дефектов в нижней и верхней зонах соответственно.

– Наименьшие деформации зафиксированы в вариантах № 5 (6,966 мм) и № 7 (6,3472 мм), где применено усиление углепластиковыми пластинами. Это подтверждает эффективность усиления для снижения прогибов.

2. Нормальные напряжения (МПа):

– Наибольшие напряжения сжатия наблюдаются в варианте № 4 (33,205 МПа), что связано с дефектом в верхней зоне.

– Наибольшие напряжения растяжения зафиксированы в варианте № 2 (32,962 МПа) и № 4 (32,016 МПа), что также связано с наличием дефектов.

– В вариантах с усилением (№ 3, 5 и 7) напряжения сжатия и растяжения снижены, что свидетельствует о перераспределении нагрузок благодаря углепластиковым пластинам.

3. Пластические деформации (%):

– Пластические деформации наблюдаются в вариантах № 2 (0,35 %), № 4 (0,35 %) и № 6 (0,2 %), что указывает на локальное разрушение древесины в зонах дефектов.

– В вариантах с усилением (№ 3, 5 и 7) пластические деформации отсутствуют или минимальны, что подтверждает эффективность применения углепластика для предотвращения разрушения.

Обсуждение результатов

Анализ результатов моделирования свидетельствует о том, что применение пластин из углепластика в сочетании с эпоксидной смолой позволяет существенно уменьшить локальные напряжения и деформации в зонах дефектов. Варианты с усилением показывают перераспределение напряжений, что препятствует возникновению пластических деформаций и предотвращает разрушение конструкции. Особенно эффективным является комбинированное усиление (вариант 7), при котором наблюдаются минимальные значения деформаций и отсутствуют пластические деформации. Эти результаты подтверждают перспективность использования композитных материалов для восстановления и усиления деревянных конструкций.

Перспективы и направления дальнейших исследований

Дальнейшие исследования должны быть направлены на:

– экспериментальную проверку численных результатов;

– оптимизацию геометрических параметров углепластиковых пластин;

– детальное исследование влияния различных типов дефектов на эффективность усиления;

– разработку рекомендаций и нормативных документов по применению композитных материалов в реконструкции деревянных конструкций.

Заключение

Проведенное исследование подтверждает высокую эффективность применения пластин из углепластика для усиления деревянных балок с дефектами. Учет нелинейного поведения древесины при приближении к предельным нагрузкам позволяет более точно оценить распределение напряженно-деформированного состояния, а комбинированное использование углепластика и эпоксидной смолы обеспечивает значительное снижение деформаций и предотвращает локальные разрушения. Результаты моделирования открывают перспективы для дальнейших экспериментальных исследований и практического применения разработанных методик в реконструкции, реставрации и модернизации деревянных конструкций.